シカゴ・パイル1号

1938年末に核分裂の発見が伝えられると、物理学者たちはすぐに一つの可能性に気づいた。ウランの核が分裂するときに中性子が新たに飛び出し、それが別のウランの核を割れば、反応は連鎖して次々に広がり、莫大なエネルギーが出る。ハンガリー出身のレオ・シラードは、1933年にすでに核の連鎖反応という考えを思いついていた。シラードはナチス・ドイツが先に原子爆弾を作ることを恐れ、1939年8月、アインシュタインの署名を得て、アメリカ大統領ローズヴェルトに研究を促す手紙を送った。

連鎖反応を起こすには工夫が要った。分裂で出る中性子（中性子の発見）は速すぎて、天然のウランの中ではほかの核に吸われたり外へ逃げたりしてしまう。1938年にイタリアからアメリカに移っていた物理学者エンリコ・フェルミは、ローマでの研究から、中性子は軽い原子の核にぶつけて遅くすると、ウランの核に捕まって分裂を起こしやすくなることを知っていた。シラードとフェルミは、遅くする材料に黒鉛を使うことにした。黒鉛は大量に手に入るが、不純物のホウ素がわずかでも混じると中性子を吸ってしまう。二人は製造会社と協力して、ホウ素をほとんど含まない、きわめて純度の高い黒鉛を作らせた。ドイツの研究者は不純物を含んだ黒鉛で試して黒鉛は使えないと判断し、高価な重水に頼ったため研究が遅れた。

1942年、研究はシカゴ大学の冶金研究所に集められ、やがて陸軍のマンハッタン計画の一部になった。原子炉は郊外の森に建てる予定だったが、建物の工事が労働争議で遅れたため、フェルミは大学の運動場、スタッグ・フィールドの西側観客席の下にあるスカッシュ場で組み立てることを提案した。大都市の真ん中で連鎖反応を起こせば、制御を失ったときに大惨事になりかねない。研究所を率いた物理学者コンプトンは、フェルミの安全の計算を信じて、大学の学長にも諮らずに許可した。

組み立ては1942年11月16日に始まった。作業は12時間交代で昼夜続けられ、黒鉛の塊に穴をあけてウランの金属や酸化ウランを詰め、層ごとに積んでいった。中性子を数える計器を入れ、層を重ねるごとに臨界に近づく様子を確かめた。57層目で積むのをやめたとき、山は高さ約6メートル、中ほどの幅約7.6メートルの、楕円体に近い形になっていた。使ったのは黒鉛約360トン、ウラン金属約5トン、酸化ウラン約45トンとされる。放射線を遮る壁も冷却の仕組みもなかった。中性子を吸うカドミウムを張った制御棒が差し込まれ、非常用の棒は綱で吊られて、斧を持った係が綱を切る役を務めた。カドミウムの溶液を入れたバケツを抱えて待機する者もいた。

12月2日の朝、49人の科学者が見守る中で実験が始まった。午前中は安全装置が早めに働いて止まり、フェルミは昼食にしようと告げた。午後2時に再開し、最後の制御棒を少しずつ引き抜いていくと、計器の値は止まらずに上がり続けた。午後3時25分、フェルミは炉が臨界に達したと告げた。人の手で作った装置の中で、核分裂の連鎖反応が初めて自ら持続したのである。反応は約4分半続き、出力はおよそ0.5ワットにすぎなかった。制御棒が戻されると反応はすぐに止まり、制御できることも確かめられた。物理学者ウィグナーがキャンティの瓶を開け、皆で紙コップで飲んだ。コンプトンは電話で、イタリアの航海者が新世界に着いた、と暗号で伝えた。

この成功で、連鎖反応が制御できること、黒鉛で十分に中性子を遅くできることがはっきりした。その知見をもとに、テネシー州オークリッジやワシントン州ハンフォードにプルトニウムを作る原子炉が建てられ、ハンフォードで作られたプルトニウムが、トリニティ実験と長崎に落とされた原子爆弾に使われた（広島・長崎への原爆投下）。シカゴ・パイル1号そのものは1943年に解体され、郊外の森に遮蔽を加えて組み直されて、のちのアルゴンヌ国立研究所の始まりになった。

観客席は1957年に取り壊され、跡地には今、大学の図書館が建っている。そばには、1967年に据えられたヘンリー・ムーアの彫刻「核エネルギー」が立つ。原子力発電の原子炉も、原子爆弾も、この日の黒い煉瓦の山から始まった。